2008航天器动力学20-太阳帆解析
太阳帆
太阳帆的技术原理及实现摘要：本文对太阳帆的工作原理及技术进行了研究。
分析了推进原理，技术核心——帆的材料和扬帆方式，提出了太阳帆实现所遇到的技术难点，最后本文介绍了太阳帆的最新进展。
一、引言由于作为人类传统太空交通工具火箭，要探测远太空时必须携带的大量燃料，而箭体质量过大，又会严重降低发射过程中所获得的加速度，这使火箭机动性着有局大的限制。
所以人们一直都渴望着能够摆脱对火箭的单一依赖，找到新的动力方式。
因此以太阳光作为动力的“太阳帆”飞船可能是人类星际旅行的唯一希望，银河系中有约4000亿颗发光的恒星，现在已经发现的宇宙中类似银河系的星系约1500亿个，这些数量极其巨大的恒星产生的光，有可能把太阳帆飞船送往人类想去的任何地方，因为只要有阳光存在的地方，它就会不断获得动力加速飞行，而且加速度的不断累积可使太阳帆获得极高的速度，如果设计合理，从理论上说，太阳帆的最高速度可以达到光速的2%(6000公里/秒)，这足以实现人类遨游太空的梦想。
二、推进原理设某恒星发射的一个光子动量为P, 能量为E’，动质量为m’，在t时间内共有n个光子打到太阳帆上并以相反方向被反弹，F为帆面所受的力。
则有Ft=2nP (1)设t为单位时间，(1)式可化简为F=2np (2)由E’=m’c^2 P=m’c 可得P=E’/c (3)设E为打在太阳帆上光子的总能量可得E=n E’(4)由(2) 、(3) 、(4) 可得F=2E/c (5)设飞船质量为m，由(5)推得a=F/m=2E/mc (6)已知太阳帆飞船——“宇宙”1号的帆面积为530．93平方米，质量为48kg，垂直于太阳光的每平方米每秒截面上辐射能量为1. 5×103 J可得a=2E/mc=530．93×2×1. 5×103/ (48×3×108)=1.1×10-4m/s^2不计太空中飞行的阻力，不考虑相对论质速关系,三年后速度v=a×t=1.1×10-4×3×365×24×60×60=10407 m/s三、太阳帆的实现技术3.1 帆的材料目前被视为最好的光帆是一种由聚酰亚胺树脂高分子材料制成的非常轻而薄的薄膜，它坚硬异常而且具有抗热和抗宇宙射线的特征，表面真空镀铝，使得它的反光性极佳，当太阳光照射到帆上后，帆将反射出光子，而光子也会对光帆产生反作用力，推动飞船前行。
太阳帆动力学建模与姿态控制
ｃ ａ ｉ ｓｍｅｈ ｄ ｗ ｓ ａ ｏ ｔｄ ｔ ｅ ｕ ｅ ｒ ｉ — ｅ ｉ ｌ ｏ ｐ ｉ ｇ ｄ ｎ ｍｉ ｑ ａｉｎ ｏ ｅ ｓ ｌ ｒｓ ｉ．Ｔ ｅ ｓ ｌｔ ｎ ｆ ｈ ｎ ｃ ｔ ｏ ａ ｄ ｐ ｅ ｏ ｄ ｄ ｃ ｇ ｄ ｆ ｘｂ ｅ ｃ ｕ ｌ ｙ ａ ｃ ｅ ｕ ｔ ｓｆ ｒｔ ｏａ ａｌ ｈ ｏｕ ｉ ｓ ｏ ｉ ｌ ｎ ｏ ｈ ｏ
第３ ２卷第 ｌ ２期
２１ ０ １年 １ ２月
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Ｖｏ ． ２ № ． ２ １３ １ Ｄｅ ２ ｌ ｃ． ０ｌ
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ｄ ｉ１ ．９ ９ ｊｉ ｎ １０ ７４ ．０ １ １ ． １ ｏ：０ ３ ６／．ｓ ．０６— ０ ３ ２ １． ２０ ０ ｓ
Ａｂ ｔ ａ ｔ： ｏ ｏａ ａｌｓ ａ ｅ ｒｆ ｔ ｏ ｔｏ ｏ ，ｔ ｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｗａ ｅ ｓ ｎ ｂ ｙ ｓｍｐｌ ｅ ｓ ｒ ｃ Ｆ ｒａ ｓ ｌ ｒｓ ｉ ｐ ｃ ｃ ａｔｗｉｈ ａ ｃ ｎ ｒ ｌｂｏ ｍ ｈ ｔｕ ｔ ｒ ｓｒ ａ ｏ ａ ｌ ｉ ｉ ｄ，ａ ｄ ａ ｖ ｃ ｏ — ｉ ｆ ｎ ｅ ｔｒｍｅ
ｂ ａ ｓ ｒｐ ｒｏ ａ—ｅ ｖｔ ｅ（ Ｄ）ｃｎｒｌ ｒ ｏ ｓ ｅ ｎ ａ ｇＢ ｎ ｏ ｔ ｌ ｔ ｔｇ ｓ ａｅ ｎａｃｎｒｌ ｏ ｍ ｅｍ ．Ａ ｐｏｏ ｉ ｌ ｒ ａ ｖ Ｐ ｔ ｎ ｄｉ ｉ ｏ ｔ ｌ ｎｉ ｒ ｇＢ ｎ － ａ ｇ ｎ ｏ ｓ ａ ｉ ｓｄｏ ｏ ｔ ｏ ｏ ｅ ｃ ｄｉ ｃ ｒ ｒ ｅ ｅ ｂ ｏｂ
太 阳 帆 动 力 学 建 模 与 姿 态 控 制
航天工程中的太阳光帆技术研究
航天工程中的太阳光帆技术研究太阳光帆技术是一种利用太阳光的辐射压力来推动飞行器在太空中运动的新兴航天技术。
自20世纪60年代以来，科学家们一直在研究太阳光帆技术，并取得了一定的进展。
本文将介绍太阳光帆技术的原理、研究进展和应用前景。
太阳光帆技术的原理很简单：利用太阳光的辐射压力来推动飞行器运动。
太阳光是由大量的光子组成，当这些光子撞击帆膜时，会产生反冲力，使得飞行器获得推力。
太阳光帆技术的优势在于可以使用无限的太阳能作为动力源，同时也没有燃料消耗，因此具有非常长的寿命。
太阳光帆技术的研究在上世纪60年代初开始。
当时，美国国家航空航天局（NASA）首次提出了太阳光帆技术的概念，并展开了一系列实验研究。
在1973年，NASA成功地发射了世界上第一艘太阳光帆驱动的飞行器，“多射线太阳光帆实验卫星”（Mariner 10）。
然而，太阳光帆技术的发展却面临着一系列的挑战。
其中最主要的问题是太阳光的能量密度太小，导致推力非常微弱。
为了解决这个问题，科学家们提出了一种利用太阳光的集中器来提高辐射压力的方法。
这种集中器被称为光纤束导向器，它的作用是将散乱的太阳光聚集成一束光线，使得推力更加强大。
另一个挑战是如何控制太阳光帆的姿态和方向。
由于太阳光帆的面积非常大，飞行器容易受到各种外力的影响而导致姿态失控。
为了解决这个问题，科学家们研究了一种被称为“智能纤维”的材料，该材料具有自适应、可变形的特性，可以根据外部环境自动调整太阳光帆的形状和姿态。
在现代航天工程中，太阳光帆技术已经得到了广泛的应用。
目前，太阳光帆技术主要用于深空探测任务，例如太阳系外行星探测器、小行星探测器和彗星探测器等。
利用太阳光的辐射压力，这些飞行器可以实现长期的持续推进和极高的精确导航能力。
此外，太阳光帆技术还有其他潜在的应用领域。
例如，太阳光帆可以用于太阳系内的宇宙垃圾清理任务，通过给宇宙垃圾安装太阳光帆，使其逐渐脱离地球轨道，最终进入太空黑洞。
太阳帆简介
简介太阳帆飞船靠阳光漫游太空，不携带燃料并一直加速，是目前惟一可能乘载人类到达太阳系外星系的航天器……太阳帆飞船设想开普勒400年前的设想渐成真：太阳光压提供推力著名天文学家开普勒在400年前就曾设想不要携带任何能源，仅仅依靠太阳光能就可使宇宙帆船驰骋太空。
但太阳帆飞船这一概念到20世纪20年代才明晰起来。
1924年，俄国航天事业的先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和其同事弗里德里希·灿德尔明确提出“用照到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。
正是灿德尔首先提出了太阳帆——一种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成为今天建造太阳帆的基础。
辐射计关于光有压力的探索最早可以追溯到17世纪，1619年开普勒猜测彗星的尾巴之所以背向太阳，是因为存在一种太阳风将其吹开，现在知道导致彗尾背向太阳的原因主要是阳光的压力，所以开普勒的猜想可以作为第一个牵涉到光压领域的论述。
后来牛顿主张的光微粒说则很自然地引进了光压的概念，但不久光波的概念就开始普及，光压也就失去了生存的空间。
即使如此，仍旧有众多实验物理学家试图以实验证明光具有压力。
例如1873年威廉·克鲁克斯(William Crookes)就设计了辐射计。
旁边的图就是辐射计，在一个半真空的容器内有这样的四片金属叶片，它们都是一面涂黑，另外一面是涂白，然后放置于针尖上。
用光源照射它就会使它们开始旋转，克鲁克斯由此认为发现了光压。
但实际上，这是空气分子的压力导致，由于容器内没有抽空，所以黑色部分吸收热量导致的温度增高会加热这面的空气分子，使之热运动加快，对于叶片的压力大；而白色部分吸收热量少温度低，这面的空气分子热运动慢，压力就小，其综合效果就是叶片开始旋转。
别捷列夫的实验真正证实光压存在的实验就是1899年时列别捷夫所做的实验，左图是他的实验工具：细金属片R放置于真空的容器G中，B点产生电弧光然后通过透镜组C、D、K、W到达反射镜组，最后经过一系列反射照射到真空中的细金属片R。
太空中的绿色动力——太阳帆 阅读附答案
太空中的绿色动力——太阳帆阅读附答案太空中的绿色动力太阳帆①太阳光传送光和热，照到人身上，人会感到暖洋洋的，但从来也没有人感觉到太阳光有压力。
实际上，太阳光是有压力的，因为光具有两重性，既是电磁波，又是粒子光子。
光线实际上是光子流，当光子流受到物体阻挡时，光子就撞到该物体上，就像空气分子撞到物体上一样，它的动能就转化成对物体的压力。
②不过，太阳光产生的压力光压是非常非常小的。
不仅人感受不到，就连普通的仪器也测不出来。
在地球附近，太阳光照射到一个平整、光亮、能完全反射光的表面时，产生的压力最大，大约是910－6牛/平方米，也就是说100万平方米平整光亮的面积上才受到9牛的压力，只相当于一个2分硬币的重量。
在地面上，由于重力、大气压力、空气阻力、摩擦力等力的存在，微乎其微的太阳光压力被淹没在这些宏观力的汪洋大海之中。
③山中无老虎，猴子称大王。
到了太空中，重力、大气压力、空气阻力、摩擦力等几乎完全消失，太阳光压才有了出头之日。
一些具有创新思维的人开始想到利用太阳光压来推动航天器在太空飞行。
早在上一世纪初，俄罗斯宇航理论先驱齐奥尔科夫斯基就提出过这一大胆的设想。
以后，又有不少科学家进行过研究。
然而，只有当科学技术发展到今天的水平，在有强大的火箭把航天器送入太空的条件下，利用太阳光作为航天推进力才有了实现的可能。
④太阳光压的大小是与接受太阳照射的面积成正比的。
受照面积越大，产生的压力越大。
为了获得一定的压力，必须有足够大的受照面积，从而引出了太阳帆的概念。
⑤太阳帆是一种面积很大，表面平整、光滑、无斑点和皱纹的薄膜，一般由聚酯或聚酰亚胺等高分子材料制成，表面镀铝或银，使其具有全反射的特性。
⑥一块面积为105105平方米的太阳帆，在太阳光正射下可获得大约100毫牛的力，用它推动100千克的物体，可产生1毫米/平方秒的加速度。
这个加速度极其微小，只有地面重力加速度的一万分之一。
⑦俗话说：涓涓细流汇成大海，块块碎土堆成高山。
太空中的绿色动力太阳帆说明文阅读原文附答
太空中的绿色动力太阳帆说明文阅读原文附答案太空中的绿色动力太阳帆说明文阅读原文附答案《太空中的绿色动力太阳帆》说明文阅读原文①太阳光传送光和热，照到人身上，人会感到暖洋洋的，但从来也没有人感觉到太阳光有压力。
实际上，太阳光是有压力的，因为光具有两重性，既是电磁波，又是粒子光子。
光线实际上是光子流，当光子流受到物体阻挡时，光子就撞到该物体上，就像空气分子撞到物体上一样，它的动能就转化成对物体的压力。
②不过，太阳光产生的压力光压是非常非常小的。
不仅人感受不到，就连普通的仪器也测不出来。
在地球附近，太阳光照射到一个平整、光亮、能完全反射光的表面时，产生的压力最大，大约是9 10-6牛/平方米，也就是说100万平方米平整光亮的面积上才受到9牛的压力，只相当于一个2分硬币的重量。
在地面上，由于重力、大气压力、空气阻力、摩擦力等力的存在，微乎其微的太阳光压力被淹没在这些宏观力的汪洋大海之中。
③山中无老虎，猴子称大王。
到了太空中，重力、大气压力、空气阻力、摩擦力等几乎完全消失，太阳光压才有了出头之日。
一些具有创新思维的人开始想到利用太阳光压来推动航天器在太空飞行。
早在上一世纪初，俄罗斯宇航理论先驱齐奥尔科夫斯基就提出过这一大胆的设想。
以后，又有不少科学家进行过研究。
然而，只有当科学技术发展到今天的水平，在有强大的火箭把航天器送入太空的条件下，利用太阳光作为航天推进力才有了实现的可能。
④太阳光压的大小是与接受太阳照射的面积成正比的。
受照面积越大，产生的压力越大。
为了获得一定的压力，必须有足够大的受照面积，从而引出了太阳帆的概念。
⑤太阳帆是一种面积很大，表面平整、光滑、无斑点和皱纹的薄膜，一般由聚酯或聚酰亚胺等高分子材料制成，表面镀铝或银，使其具有全反射的特性。
⑥一块面积为105 105平方米的太阳帆，在太阳光正射下可获得大约100毫牛的力，用它推动100千克的物体，可产生1毫米/平方秒的加速度。
这个加速度极其微小，只有地面重力加速度的一万分之一。
太阳帆飞船
美国行星协会 宇宙1号：地球轨道完全控 制飞行
日本 美国 日本 地球轨道展开实验 纳帆D：大气阻力制动实现 太阳帆轨道展开 IKAROS:星际飞行
火箭第一级不能正常工 作，失败
没完全展开，失败 火箭未入轨，失败 成功，实现太阳帆展开
各国的太阳帆飞船的研究项目及进展
1995年俄罗斯和美国的“为7.5µm的聚酰亚胺薄膜，在表面 一侧沉积了厚度约为80nm的铝膜。
•姿态控制技术
利用其上的对称分布的液晶器 件电源开时液晶器件对太阳光的 镜面反射，关时的漫反射产生的 光压差实现在以太阳帆中心为支 点产生的扭矩，从而实现姿态控 制。
日本的“IKAROS”太阳帆技术
太阳帆飞船急需解决的关键技术
1.轻质高强度太阳帆体的制造 2.折叠储存和展开控制 3.结构设计 4.姿态控制 5.地面试验技术及在轨演示验证 6.测试与诊断技术
太阳帆的轨道控制及其任务应用
由于太阳帆的推进性能独特，目前各国对其轨道控制 及任务应用进行了如下研究： 1.太阳极地观测任务
2.太阳帆悬浮轨道任务
太阳帆飞船的研究现状 国际太阳帆试验的历史
时间 1993 1999 2002 2004 国家或机构 俄罗斯 俄罗斯 飞行目标 空间镜1号：遮光罩的展开 空间镜2号：进一步展开 结果 成功，但不是太阳帆 失败 火箭第三级分离失败 成功
美国行星协会 亚轨道展开实验 日本 亚轨道展开实验
2005
2006 2008 2010
太阳帆飞船的原理
太阳帆飞船依靠面积巨大但是质量很轻的太阳帆反射太 阳光获得远远不断的推力，是唯一不依靠反作用推进实现飞 行控制的飞行器。它无需消耗燃料，在太空中的寿命不受有 限燃料的制约；采用高性能材料使其结构质量很轻，可显著 减少发射质量，发射费用更低。利用太阳光压所提供的连续 加速度，经过长时间的加速，太阳帆飞船能以速度93km/s飞 行。
太阳帆飞行器轨道动力学分析
摘要
通 过分析 对轨 道要 素 影响 最 大的加 速度 分 量 ，使 太 阳帆 总是位 于光 压 力 沿这 个
加速 度方 向的 分量 最 大的 方位 。通过 分析 轨 道要 素调 整 时的相 互影 响关 系，提 出 了同时修
正 多种轨 道偏 差 的控 制 方案 。对处 于地球 静 止轨 道上 太 阳帆 飞行 器 的轨 道调 整进 行 了数值
道修 正 ，将 会降低 卫 星 的燃料 负 载 。本 文 对此 进行 了初 步 的研 究 和分析 。
２ 太 阳光压力计算模 型
如 图 １所示 ，一 个理 想光 滑 的平板 型太 阳帆板 所受 的太 阳光压 力可 以表 示 为［ ８
Ｆｓ＝ （ Ｐ ｃ ｓｏ ｎ ２ Ａ ｏ 。 ） （） １
Ｉ ｎ
镜 面 反射光 子
图 １ 理 想 太 阳帆 所 受 太 阳 光 压 力
极 ，Ｘ 轴 沿 日 地 连 线 ， 一
指 向地 球 ，ｙ轴 在 黄道 面
／ｌ
／
ｌ 黄
一
‘ 乏
ｙ
＼
一 一
４ 轨 道 控 制 律设 计
（ ）第一 轨道 控制 律 （ １ 简称方 法一 ）
轨道要素调整时的相互影响关系方法一被修正的轨道要素对其它轨道要素的影响偏心率轨道倾角太阳方位的影响较小较小偏心率轨道倾角较大较大所需时间较短轨道要素调整时的相互影响关系方法二被修正的轨道要素对其它轨道要素的影响偏心率轨道倾角太阳方位的影响较小偏心率所需时间较长所以在用太阳帆对地球静止卫星进行多种轨道偏差修正时可以采用以下两种方案
式中
Ｐ为距 离太 阳 １天 文单位 （ＡＵ） 的太 阳辐射 压 强 ，Ｐ＝４ ５３ ０ Ｎ／ １ 处 ． ６ ×１ ｍ 。Ａ 为 太 阳帆 板
太阳帆航天器的轨道控制研究
ＮＳ Ａ Ａ合作 ，于 １９ ９０年 １ ０月发 射 升空 的 Ｕｙｓｓ ｌｓ 。 ｅ
该探测 器 于 １９ ９ ４年 ９月 中 旬到 达 日纬 ８ ． 。 ０ ２ 的位
置 ，是 迄今 人类 的 探 测 器 达 到 的 最 高 太 阳纬 度 ，
成像 的探 测 方 案 和 有 效 载 荷 技 术 研 究 ” ，此 计 划 要求探 测器 脱离 黄 道 面进 入 太 阳极 轨 ，从 黄 道 面 的上方 （ 或下 方 ） 居 高 临 下地 遥 感 观测 ＩＭＥ的 Ｃ
太 阳帆 优点 主要包 括 如下 三 方 面 ： （ ） “ 费 ” １、 免
椭 圆轨道 ，国际上 已有 的轨道 控 制 方 案并 不 能满
足此 点要求 。
国 内相 关 单 位 开 展 了一 些 先 期 研 究 。其 中 ，
２ ．中 国科 学 院研 究 生 院
摘
要 ：本文结合 中科 院空 间中心提 出的太 阳极轨射 电成像仪 （ ｏ ｒＰｌ ｒｉ Ｒ ｄｏＴ ｌ ｃｐ ，Ｓ Ｏ Ｔ Ｓｌ ｏａ Ｏ ｂ ａｉ ｅ ｓｏｅ Ｐ Ｒ ）计划 ，研 ａ ｒ ｔ ｅ
究利用 太阳帆推进技术将有效 载荷送 到太 阳极轨轨道 的方法 。文 中设计 了一种太 阳帆的轨道控 制律 ，并对太 阳帆探测器 的 轨道进行设计 。结果表 明，在选定 了合适 的轨道控制律前 提下 ，利用太 阳帆航天 器经过 ７ ３ ．５年 的航 行 ，实现 了 Ｓ Ｏ Ｔ任 ＰＲ
依靠 木 星借力 脱 离 黄道 面 的 ，这 使 得 它 的轨 道 半
长 轴达 到 ３ ３ Ａ ．７ Ｕ，不仅 使 得 对 日观测 变 得 困 难 ，
更 为重要 的是 它 的周 期 达 ６ ２年 ，这 意 味着 对 太 ． 阳某一 点 的重 复观 测 需 要 六 年 时 间 ！而 短 期 内对
太阳帆船
“ ３ 号— — ‘ 阳光’ 号， 准备 就绪 ！ ” “ ４ 号—— ‘ 投标器’ 号， 一切 系统 正常 ！ ”
“ ５ 号— — ‘ 列别捷 夫 ’ 号， 我们准 备就 绪 ！ ” “ ６ 号— — ‘ 蜘蛛 ’ 号， 准 备 就绪 ！ ”
说着 ， 他掏 出几平 方 厘 米制 造 太 阳
“ ７号— — ‘ 狄 安娜 ’ 号， 准备 好 出发 ！ ＇ ， “ ｌ 至 ７号 的 回答 ， 全部 听 到 。 ” 裁 判 员 的声 音异 常平静 ， “ 现在， 最后 １ 分钟 。 ”
“
… …
如 给 它 系上 悬 索 ， 它就 能 拉 着 我们 上 天。第１ 秒钟， 我 们 移 动 五 分 之 一 英
“ 把 手 伸 向太 阳， ” 他 曾对 听众 说 ， “ 你 们 会 感 觉 到热 ， 但 是却 感 觉 不 到压 力， 因 为它是 徽 乎其 徽 的。 怛是 在 宇宙
实现 梦 想 了 “ 最 后 ２分 钟 ， ” 座舱 无 线 电发 出 指令 ． “ 请 检 查准备 情况 。 ”
一
起。
几 分 钟后 。 “ 阳光 ” 号 由于 自旋而
“ 狄 安娜 ” 号 出师顺利 ， 航行 状 况 良好 。默顿 看 到 了他 的对手们 ， 他 们 犹如 朵朵 银花 绽放 在 幽
暗的 宇宙 空间。
过于稳定 ， 无 法 正 常抢 风 转变 航 向， 它 的 巨大环 形 帆正 面 对着太 阳 ， 而 不
●
名联欣 赏
１１
上联 ： 月照纱窗， 个个孔明诸葛亮
于 得 与 失 的 关 键 之 际 。 没过 多久 ，
他说服 了听众 ， 也说服 了宇宙公 司， 在过 去
的２ ０ 年 中， 出现 了一种 新 的游 戏 ， 被 称 为亿 万 富
什么是太阳帆它为何能在太空中航行？
什么是太阳帆它为何能在太空中航行？什么是太阳帆它为何能在太空中航行？时间:2011-02-18 10:44 来源:外滩画报太阳帆是近年来太空探索活动中一个经常出现的词，与我们熟知的光伏板不一样，太阳帆的工作原理，并不是将太阳的光热能量通过转换器转化成电能，而是直接利用太阳的光压推动航天器前行的。
如果把能量强大的阳光视为风，太阳帆便是风帆。
乘着这种“太阳风”便可在浩瀚的宇宙中航行。
也就是说，太阳帆本身便是一种动力装置，无需任何发动机和推进器便可在太空中航行。
然而在地面上，利用太阳光压为动力并不可能，因为大气层内存在空气阻力和地面摩擦力太大，太阳光压本身的能量并不足以克服地面的这些阻力。
只有在几近真空的宇宙中，太阳光压才能起到足够的作用驱动太阳帆飞行器飞行。
使用太阳帆，宇宙飞行器可以只携带少量燃料便可以进行远距离太空航行。
太阳帆能给航天器带来高达每秒30 公里的速度，去年6月返回地球的日本深空飞行器“隼鸟号”前往丝川小行星，便动用了这种技术。
靠着太阳帆和等离子火箭的推进，这个人类历史上到达太空最远端的飞行器走完了整整60 亿公里行程。
就如同大航海时代来临前三角帆船技术的完善一样。
太阳帆技术成为公认的进行深空探索必须具备的基础技术。
经过无数次实践检验，太阳帆在深空探索中的可行性确实是毋庸置疑。
太阳帆的技术高在哪里？太阳帆本身的技术原理并不是很复杂，实际上和船帆没有本质区别。
然而材料的选择却制约了这种技术的发展。
现有的太阳帆的厚度仅仅为一张信纸百分之一，也就是说，这是一种比现有最薄安全套还薄的薄膜，然而这种薄膜却必须经历太空中各种恶劣环境的洗礼。
这在过去十年是不可想象的事情。
随着纳米技术的发展，才让人类有了制造太阳帆材料的能力。
太阳帆如何张开也是一个非常棘手的问题。
太阳帆的基本结构类似折叠雨伞，而为了减轻重量，这张“雨伞”的伞骨也不能用现有的机械结构来实现开合。
只能依靠“伞骨”本身的张合来完成这个动作。
航天工程中的太阳光帆技术研究
航天工程中的太阳光帆技术研究第一章：引言太阳光帆技术作为一种新兴的航天技术，正在逐渐引起人们的关注。
太阳光帆利用太阳光子的动量推动帆片的运动，是一种具有潜力的、无需燃料的、先进的推进技术。
在近年来的航天工程中，太阳光帆技术被广泛应用于轨道探测、星际航行和行星降落等领域中。
本文将对太阳光帆技术的原理、研究进展和应用前景进行介绍和分析。
第二章：太阳光帆的原理太阳光帆是一种利用太阳光子的动量来推动航天器的推进方式。
当太阳光照射到帆片上时，太阳光子将携带能量和动量，其中动量是它们特有的性质。
由于太阳光子的动量非常小，因此需要大量的太阳光子才能产生足够的推力。
太阳光帆的面积和材料的选取对推力的大小会产生重要影响。
太阳光帆的基本结构由帆片（或者多个帆片）和支撑系统组成。
帆片通常采用非金属的薄膜，如聚酯薄膜、聚酰亚胺膜以及碳纳米管薄膜。
支撑系统则是保证帆片保持完整性和形状的关键。
太阳光帆的工作原理是：当太阳光子照射到帆片上时，它们会将动量传递给帆片，从而推动帆片的运动。
帆片的运动轨迹和推力方向受到光子的入射角度和速度等因素的影响。
太阳光帆的推进速度和轨道的变化取决于帆片的尺寸和材料、航天器的总质量和太阳光照射条件等因素。
第三章：太阳光帆技术的研究进展太阳光帆技术作为一种新兴的航天推进技术，在过去几十年里得到了长足的发展。
现在，太阳光帆技术已经应用于许多航天项目中，包括轨道探测、星际航行和行星降落等领域。
下面将介绍太阳光帆技术发展的主要历程和研究进展。
1. 早期研究20世纪60年代，美国物理学家理查德·加夫林首次提出了太阳光帆的概念。
随后，太阳光帆技术得到了苏联和日本等国家的研究和开发，这些国家在太阳光帆的材料、结构和系统设计等方面做出了许多贡献。
到了20世纪70年代，太阳光帆技术已经发展到可以实现飞越整个太阳系的水平。
2. 现代研究近年来，太阳光帆技术取得了显著的进展。
2010年，日本推出了IKAROS太阳光帆器，成功进行了地球附近和绕地飞行试验。
太阳帆航天器设计及优化
太阳帆航天器设计及优化太阳帆航天器的设计与优化太阳帆航天器是一种基于太阳光压力的推进方式的航天器。
其工作原理是利用太阳光线的光子对物体施加微弱的力，从而推动太阳帆船运动。
太阳帆的设计与制造对于推动太阳帆船的速度及方向至关重要。
下面将从太阳帆的结构设计、帆材料的选择以及空间太阳能电池制作等方面，探讨太阳帆航天器的优化设计。
一、太阳帆的结构设计太阳帆的结构是影响太阳帆航天器运动轨迹的主要因素之一。
太阳帆结构的设计需要考虑光压力、空气阻力、重量等因素。
传统太阳帆的形状通常是四边形，然而研究表明，六边形太阳帆更适合在太空中运行。
因为六边形能够避免太阳光压力带来的扭曲形变，提高了太阳帆的稳定性和推进效率。
在太阳帆的设计中，还需要考虑通道的设计问题。
通道在太阳帆的结构中起到了支撑的作用。
在设计太阳帆的通道时，需要考虑太阳帆的形状和大小，以及通道的强度和稳定性问题。
为了提高太阳帆的安全性和可靠性，通道的设计必须经过严格的计算和仿真，并进行实验验证。
二、太阳帆材料的选择太阳帆航天器的推进力量来源于太阳光线，因此太阳帆的材料选择必须具有良好的反射光能力。
常用的太阳帆材料有：金属薄膜、碳纤维等。
金属薄膜反射率较高，但是较脆弱，容易损坏。
碳纤维的强度和稳定性比较好，但是价格较高，制造成本也较高。
除了反射率外，太阳帆材料的质量也是重要的考虑因素。
航天器的发射重量是一个重要的考虑因素，因此太阳帆材料必须轻便且结实。
轴向向量玻璃纤维是一种轻量、强韧的材料，适合用于太阳帆的制造。
此外，太阳帆材料的耐热、耐辐射及其化学稳定性也需要在材料选择中考虑。
三、空间太阳能电池的制作太阳帆航天器需要持续不断地获取太阳能，把光能转化为电能，才能维持船的基本运行。
因此，太阳帆船需要配备高效率的太阳能电池。
目前，空间太阳能电池的制作已经相当成熟。
这种太阳能电池是利用半导体材料的光电特性制造的。
在制造太阳能电池时，需要考虑太空中的辐射、微重力环境处的静电、断电等问题，同时要保证电池的电压、电流和工作温度都在合理的范围内。
太阳帆的研究与应用
太阳帆的研究与应用太阳帆，又称为光帆，是一种利用太阳能推动飞行器移动的航天工程技术。
它借助太阳光斥力的推进来加速运动，是一种低成本、高效能的推进方式。
太阳帆因其独特的技术特点，在太空探索、科学研究、天体观测和星际探测等领域都具有广泛的应用前景。
一、太阳帆的发展历程太阳帆的概念最早可以追溯到17世纪，当时众人已发现光具有压力的性质。
20世纪初，俄国科学家推测在太空中向外发射光，将会对飞行器产生轻微的推力。
而美国科幻小说家格理·克莱因(Robert W. Bussard)首先在1958年的科幻小说中提出了光帆的概念。
1961年，世界首个太阳帆船舶发射成功，这标志着太阳能帆的公认出现。
1974年，美国第一个大面积太阳帆Sail 1发射成功，进入了历史舞台。
二、太阳帆的原理和特点太阳帆需要利用光线的斥力，而这个斥力被称为光压。
在太阳发出的光线中，存在着微小的动能和动量，这些动量的载体是光子。
太阳帆利用太阳光的能量来推进载体，从而实现自身运动。
太阳帆织物的材质通常采用金属表面，以确保充分利用光压。
此外，太阳帆必须保持在连续的太阳光下，以便光斥力的连续性。
太阳帆的主要特点是低成本、无污染、无限寿命、强环保和高效能。
相较传统的推进方式，深空探测中的太阳帆不但克服了飞行中的耗时、各种致病因素以及载体耗能等问题，同时具有良好的环保性能，这也是大多数国家致力于太阳帆研究的原因。
三、太阳帆的应用领域太阳帆可用于多个领域的应用，主要包括：1. 太空探索：太阳帆因其在推进过程中不会产生环境污染等特点，具有较高的在太空探索中的应用前景，比如监测地球气候、空气质量或促进太阳系外行星的探索等。
2. 科学研究：太阳帆还可以用于探测太阳和行星，尤其在观测透过东射流产生的核反应和探索太阳极区等方面，具有很大的潜力。
3. 天体观测：太阳帆还可以帮助人们在航天器降落期间进行降落痕迹的观测、探测火星、土星、小行星、彗星和飞越太阳拍摄图片等。
太阳帆航空气动力学研究
太阳帆航空气动力学研究太阳帆航是一种利用太阳光能进行推进的宇宙探测技术。
它利用太阳光的冲击力，通过太阳光线与太阳能电池板的交互作用，实现太空航行。
相比传统的化学推进技术，太阳帆航具有重量轻、控制精度高、推进效率高等优点，因此在未来的宇宙探索中具有广阔的应用前景。
本文将介绍太阳帆航空气动力学的研究进展和其应用。
一、太阳帆航的基本原理太阳帆航利用的是光压力，即太阳光照射在太阳帆上会产生一个光压力，这个压力可以把太阳帆推离太阳，形成一个向外追逐太阳的推力。
太阳帆航推进过程中，实时测量太阳光线的方向和光强，以便调整太阳帆的角度和方向，进而控制太阳帆的运动。
虽然太阳帆的面积比较大，但是其本身的重量却很轻，因此太阳帆上的重量对整个系统的控制和操作带来了很大的优势。
二、太阳帆航的空气动力学研究太阳帆航的空气动力学研究是太阳帆航技术开发的重要组成部分，是保证太阳帆航系统实现推进的核心技术。
空气动力学的研究内容主要包括太阳帆的材料、太阳帆表面等离子体效应、光固化粘合技术等。
太阳帆航材料研究是太阳帆航技术研究中最基础、最关键的一环。
太阳帆材料需要具备高透明度、高强度、低密度等特点，以确保太阳光线可以穿透并对太阳帆进行足够的冲击，同时保证太阳帆本身结构能够承受太阳光对太阳帆产生的巨大压力。
现有的太阳帆制造材料主要包括涂覆有聚四氟乙烯（PTFE）或亚麻布的聚酯薄膜等。
这些材料不仅具有高透明度，而且对太阳光的反射率很低。
太阳帆表面等离子体效应是太阳帆航研究中的重要内容之一。
等离子体效应指的是太阳辐射能量在太阳帆表面会导致电离反应，使得太阳帆表面充满等离子体，从而影响太阳帆航的运行效果。
为了降低太阳帆上等离子体引起的不良影响，研究者们对太阳帆表面进行了封闭处理，以控制等离子体的产生量，确保太阳光在太阳帆表面均匀分布，不会对太阳帆造成任何损伤。
光固化粘合技术是太阳帆材料组合的主要手段之一，也是太阳帆航材料研究中的重要一部分。
太阳帆帆面图像分析技术及其应用
太阳帆帆面图像分析技术及其应用随着航天技术的发展，太空探索的范围不断扩大，人类已经成功地将人类和机器人探测器送往了太阳系的各个角落。
对于科学家们来说，了解太阳风的构成和特性，可以为我们更好地预测和了解太阳系中的宇宙射线、行星磁场等现象提供更多的线索。
太阳帆是一种利用太阳风驱动航天器行驶的技术，在太空探索中有着广泛的应用前景。
然而，太阳帆的设计和测试需要对太阳帆的帆面图像进行分析和测量，以确保其在太空中的正常运行。
因此，太阳帆帆面图像分析技术的研究和应用显得尤为重要。
一、太阳帆的工作原理太阳帆是一种无动力航天器，其工作原理基于太阳风的推力驱动。
太阳风是指在太阳表面活动引起的大量带电粒子，它们的高能量释放出来，形成了一种像“太阳风”的粒子“风”。
当太阳风的粒子撞击太阳帆的光面时，它们会被弹开，而太阳帆由于相对地球的位置不同，而受到推动。
太阳帆的结构通常由轻型高强度材料制成，其光面可以是聚四氟乙烯等材质的电浆喷涂处理或陶瓷涂层等多种材质制成。
二、太阳帆帆面图像分析技术的研究太阳帆的设计和测试需要对其帆面进行精确的分析和测量，以确保其在太空中的正常运行。
现代太阳帆帆面图像分析技术是一种基于计算机视觉和信号处理的高精度度量工具，涉及到反光性能、形态和面积的管理。
这种技术主要包括四个方面：数字成像与采集、成像分析、面积计算和质量测试。
数字成像与采集是基本步骤，后续的数据处理和分析都需要先进行图像数据采集，包括通过CCD信号捕捉器对太阳帆进行成像。
然后需要对数字信号进行采集，以获取表面光谱数据和反射性能的相关信息。
成像分析是在得到数字信号后，需要通过计算机对图像进行识别和分析，刻画出太阳帆的形态、反射尺寸以及反射强度等参数。
面积计算需要把成像分析得到的数据通过归一化来计算整个面积，从而实现点面组织和各种抗拉压强度设计。
最后，质量测试需要将测量结果与标准对比，以确保太阳帆的质量和性能符合规定的要求。
这个步骤包括质量评估以及落后于标准的数据异常处理。
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积分结果
对拉格朗日方程进行积分，得到
在平均意义上， 太阳帆轨道的大 小、形状不变
太阳帆轨道会 产生进动！ 在一个周期内，平均的进动角速度为
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clear all syms mu a e fr ft f a0 '----------------------' fr=-a0*cos(f); ft=a0*sin(f); p=a*(1-e^2); r=p/(1+e*cos(f)); temp1=fr*e*sin(f); temp2=ft*p/r; da=2*p*r^2/mu/(1-e^2)^2*(temp1+temp2); temp1=fr*sin(f); temp2=ft*(1+r/p)*cos(f)+ft*e*r/p; de=r^2/mu*(temp1+temp2);
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著名天文学家开普勒早在400年前就曾设想过不携带任何 能源，仅依靠太阳光的能量使飞船驰骋太空的可能性。他曾 指出，彗星烟雾状的尾部就是在太阳光影响下“不断飘动 的”。 但直到1924年，俄国航天事业的先驱齐奥尔科夫斯基和 其同事灿德尔才明确提出“用照射到很薄的巨大反射镜上的 太阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是灿德尔首先提出 了太阳帆——这种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想，成 为今天建造太阳帆的基础。而后科幻小说家阿瑟· 克拉克在他 的小说《太阳帆船》里太阳帆的概念深入人心。 虽然“太阳帆”飞船的构想最早比人类第一枚火箭成功 发射还早30多年，但它的发展却不是一帆风顺的，包含了人 类将近一个世纪的梦想和曲折。
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专题：地球磁场探测
地球磁场的特点 在太阳风的作用 下，地球磁场形状大 致如图所示。
太阳帆轨道
希望可以发射太 阳帆，探测地球磁场 的顶部和尾部。
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传统卫星探测地球磁场的缺点
如果采用传统卫 星，其轨道在惯性空 间中（基本）不动。
但是地球磁场总 是沿太阳-地球连线方 向，在惯性空间中转 动。 传统卫星在很多 时段不能探测希望的 区域。
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美国弗里德曼毕生致力于推动光帆航宇的发展，早在 上个世纪1976年他就职于美国宇航局喷气推进实验室的时 候，他就提出利用一个64万平方米的巨帆航向哈雷彗星进 行探测的思路，美国宇航局认为太过冒险而没有采纳。他 后来离开美国宇航局后，认识了许多俄罗斯宇航科学家和 工程师，弗里德曼最终从他们中找到了志同道合的伙伴， 共同建造并发射人类的第一个光帆。 2001年7月20日，人类的第一个太阳帆“宇宙一号” 从一艘俄罗斯的核潜艇上发射升空，但飞船由于没能与第 三级运载火箭分离而坠毁。在第一个“宇宙一号”失败后， 弗里德曼没有放弃，决定重新建造新的光帆，名字仍然采 用“宇宙一号”，
太阳帆介绍
高云峰
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背景介绍
太阳帆是以太阳光压为动力的航天器。可以飞向遥远 的星空而基本上不携带燃料。 太阳帆的轨道是非开普勒轨道，其轨道和姿态耦合比 普通的卫星要大得多。 目前太阳帆还没有进入工程应用阶段，但是小形太阳 帆的技术验证工作已经开展。
从文献中看，未来太阳帆的应用有几个方面： 深空探测，飞向一些行星 悬浮轨道，探测太阳或其他天体的信息 在新的拉各朗日点驻留，提前预报太阳风暴 地球磁场探测，跟踪地球磁场的运动
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太阳帆
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太阳帆的轨道
不规则轨道
Z
X
Y
悬浮轨道
太阳帆编队
Z
Z
X
X Y
Y
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光压对太阳帆的作用力通常采用如下形式
2 AU F 2 PA s n n S 2
如果太阳帆的直径增至300米，其面积则为70686平方 米，由光压获得的推力为0．034吨。根据理论计算，这一 推力可使重约0．5吨的航天器在二百多天内飞抵火星。若 太阳帆的直径增至2000米，它获得的1．5吨的推力就能把 重约5吨的航天器送到太阳系以外。 由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型 太阳帆的航天器最终可以以每小时24万公里的速度前进。
卫星轨道
地球轨道
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太阳帆探测地球磁场
对于太阳帆，如 果使其轨道在太阳光 压下进动，有可能使 轨道始终跟随着地球 磁场的运动。
地球轨道
Colin 教授的 工作就是最早提出 了太阳帆轨道与地 球磁场同步运动的 条件。
太阳帆轨道
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Colin 教授的工作 对于太阳帆，考虑地 球引力和太阳光压，把光 压作为摄动，利用拉格朗 日方程，有
太阳帆法线方向
太阳光方向
其中R和T是径向和横向分量，具体为 a0是特征加速度
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特征加速度的定义
太阳光的压力公式
2 AU F 2 PA s n n r 2
Where AU is 1 astronomical unit, r is the distance between the sail mass center and the Sun, P is the nominal solar radiation pressure constant at 1 from the Sun, A is the area of the sail. 当太阳帆距离太阳1个天文单位，且法线沿太阳光线 时，此时的太阳帆加速度定义为特征加速度，其大小为
其中AU是1个天文单位，ρs是从太阳到太阳帆的面积。
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在地球到太阳的距离上，光在一平方米帆面上产生的 推力还不到一只蚂蚁的重量。因此，为了最大限度地从阳 光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要 十分光滑平整。“宇宙”1号的太阳帆面积为530．93平方 米，与光压获得的推力仅为255克。